大型储罐常规设计与分析设计罐壁厚对比研究

大型储罐常规设计与分析设计罐壁厚对比研究
发表时间：2018-05-25T14:57:20.610Z 来源：《基层建设》2018年第6期作者：伍尚乐1 李军2
[导读] 摘要：本文以加纳日产150吨特优级食用酒精装置项目中的5950m3厌氧罐为研究对象，以储罐设计中常用的API 650和GB5034标准进行筒体壁厚强度计算与ansys有限元分析法分析对比，对其进行应力强度和稳定性分析，总结和分析对比出设计过程中的不同之处。

1广东中科天元新能源科技有限公司技术部广东省广州市 510640；
2中盐工程技术研究院有限公司成都分公司四川省成都市 610010
摘要：本文以加纳日产150吨特优级食用酒精装置项目中的5950m3厌氧罐为研究对象，以储罐设计中常用的API 650和GB5034标准进行筒体壁厚强度计算与ansys有限元分析法分析对比，对其进行应力强度和稳定性分析，总结和分析对比出设计过程中的不同之处。

关键词：大型储罐；ansys；分析设计，常规设计；GB5034；
目前国内大量设计建造的10 x 104 m3及以上大型油罐的罐壁厚度计算均采用美国标准API 650中的变设计点法。

为方便设计，
GB5034编制组进行了大量油罐分析计算，对应力测试数据进行了分析；根据我国使用的油罐材料，参照API 650编制了变设计点法，并规定：罐壁厚度的计算，当油罐直径D<60m时，宜采用定设计点法；当油罐直径D＞60m时，宜采用变设计点法。

采用变点法，材料利用比较合理，但计算较麻烦。

定点法（即一英尺法）用于较小油罐设计时，各圈壁板的应力分布比较合理，但对于较大的油罐，结合国内外油罐规范的规定和我国多年来的设计经验，采用定点法（即一英尺法）设计，公式采用API650模式。

定点法计算公式各国规范大同小异，不同之处在于参数的定义和选取，主要有以下几个方面：
1、油罐直径，API 650定义为油罐底圈罐壁板中心线直径，JIS B 8501无明确规定，BS EN 14015、GB50341明确规定是油罐内径，对计算结果影响不大；
2、计算液位高度，各规范取法有所不同，对计算结果影响较大；
3、储液比重或储液相对密度，物理概念虽不同，但不影响计算结果；
4、焊缝系数（焊接接头系数），各规范取值有所不同，对计算结果影响较大；
5、许用应力，各规范取法不尽相同，对计算结果影响较大。

API650和GB50341这两个标准对罐壁板最小厚度的规定见表1和表2
表1 GB50341规定的罐壁板最小名义厚度
表2 API650规定的罐壁板最小名义厚度
图1
1厌氧罐结构设计参数
厌氧罐主体结构包括筒体、顶盖、底板。

筒体直径为DN19000 mm，筒体高21000 mm，采用自撑式带筋拱顶和平板结构，罐主体材质为Q235B，筒体板宽按1500mm，结构如图1所示。

该厌氧满水重约5950吨，下面第一层筒体承受0.2058Mpa的液柱静压力，这对设备筒体设计的安全性提出了比较高的要求。

2按GB50341的定点法对厌氧罐罐壁进行强度计算
本设备在使用过程中直接与大气相连通，即在常压下运行的，因此不需要考虑考气压对设备的影响，按液柱静压计算壁厚强度则可。

由于其直径D＜60m，因此按GB50341的定点法（即一英尺法）计算，结果如表3所示：
[σ]d设计温度下钢板的许用应力，MPa；
[σ]t常温下钢板的许用应力，MPa；
φ焊接接头系数，底圈罐壁板取0.85，其它各圈罐壁板取0.9；
H计算液位高度（m）；
ρ储液相对密度；
td储存介质条件下罐壁的计算厚度，mm；
tt试水条件下罐壁的计算厚度，mm；
表3
注：因为罐壁板的有效厚度不应小于试水条件或设计条件下的计算厚度，所以最终选取td壁厚计算厚度.
3利用ANSYS有限元分析法对GB50341的定点法计算得到的有效厚度进行应力分析评定
3.1计算模型
厌氧罐主体材质为Q235B，选取一般钢材弹性模量E=2.1x105MPa，泊松比w=0.3，单元类型：六面体和四面体，单元总数：12171，节点总数：25575。

材料参数如下表4所示，建好的模型如图2所示，有限元建型如图3所示。

表4 材料力学性能
3.2模型假设
根据分析需要，在不影响计算精度的前提下，对计算模型进行下列相应的简化：
（1）不考虑风载和地震载荷的影响；
（2）忽略底板和筒体上接管影响；
（3）由于该罐筒休结构的几何模型具有对称性，载荷呈轴对称分布，所以建立1/10的有限元模型。

3.3约束与载荷
厌氧罐属于常压容器，工作温度在30至40度，因此可以不考虑环境温度的影响。

发酵罐筒体和底板只承受密度为1000 kg/m3的废糟液的静压力载荷，根据工艺要求，最大静压力载荷为0.2058Mpa，如图4所示。

4结果分析及应力分解
Von Mises应力分布如下图5所示：最大应力在底板与筒连接的边缘处，大小为191.78Mpa。

分别在各段厚度变化段筒体截面处设置路径沿着截面厚度方向上进行线性分解，得出局部薄膜应力，局部薄膜应力+弯曲应力，具体数值如表5所示。

表5
根据《钢制压力容器分析设计标准》（JB4732-95）应力分类标准，在外部载荷，内压作用下，筒体厚度变化处及筒体与底板连接处的薄膜应力为局部薄膜应力，弯曲应力为二次应力，该结构应力评定如下：
5 结束语
本文的研究是理论与实际相结合，本文探讨的采用分析设计法设计的11322m3大型储罐已投入使用近2年，一直保持良好运行。

实践证明，大型常压储罐远离底板的筒体受到的薄膜应力是非常的小，越远离底板的筒体薄膜应力衰减越快，基本上可以按满足刚度要求即可，分析计算结果显示，无论按照API650还是按照GB GB50341设计都是非常偏安全的，把握好制造、检验、验收、及其安装、使用要求就能保障设备安全运行。

如果该设备采用有限元分析设计，按每层板保守地仅减少2mm考虑，仅罐壁就能省下113941.9kg材料，产生的经济效益是可观的，因此分析设计是一种很有推广价值的设计方法。

参考文献：
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[7]中华人民共和国行业标准JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》[S]；。